JP5025295B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、回転座標変換および逆回転座標変換を用いて電力を制御する半導体電力変換装置に関するものである。

交流系統に含まれる無効電力、高調波電力あるいは逆相電力を所望の値に制御するために、従来から半導体電力変換装置が使用されている。

このような半導体電力変換装置において、所謂ｄｑ変換のような回転座標変換を用いる制御方式が度々使用されている。このｄｑ変換を用いる制御方式は、例えば、半導体電力変換装置への３相出力電流を電流検出器によって検出し、電圧検出器によって検出された交流系統の電圧位相を基準位相として有効電流を示すｑ軸と、このｑ軸と直交し無効電流を示すｄ軸との回転座標変換上の２軸に変換して制御処理を行い、再び逆変換を行なって３相の操作量を求めて半導体電力変換装置を制御する。このようにしてｄｑ変換を用いる制御を行えば、例えば電流の有効分と無効分を各々独立して制御することが可能となる。しかしながら、例えば、半導体電力変換装置の出力側にフィルタ回路が挿入される場合など、主回路部において電圧位相が変化すると、無効電力を正確に補償することが困難となる。このため変化する電圧位相に応じてｑ軸電流基準とｄ軸電流基準を補正する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
特開平１０−１０５２６１号公報（第３−５頁、図１）

特許文献１に示された方法によれば、主回路部の電圧位相の変化に応じた無効電力補償を行なうことが可能となる。しかしながら現実には、電流検出器の検出遅れとｄｑ変換演算の演算時間の遅れがあり、これらの遅れによって制御誤差が生じてしまう。

本発明は上記問題点を解決するために為されたもので、その目的は、検出遅れや制御演算の遅れがあっても制御誤差が生じることのない半導体電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半導体電力変換装置は以下を特徴としている。

本発明の半導体電力変換装置は、交流系統の系統電圧を検出し、この系統電圧をｄｑ変換制御手段に与え、前記ｄｑ変換制御手段の出力を前記交流系統に接続された電力変換器の出力電圧指令値とするようにした半導体電力変換装置において、前記ｄｑ変換制御手段は、前記交流系統の電圧位相を検出する位相検出手段と、前記位相検出手段の出力する基準位相に従って前記系統電圧を回転座標変換してｄ軸電圧及びｑ軸電圧に変換する第１のｄｑ変換手段と、前記電力変換器の出力電流を前記位相検出手段の出力する基準位相に従って回転座標変換してｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する第２のｄｑ変換手段と、前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流を夫々の指令値に追従させるｄ軸及びｑ軸電流制御器と、前記ｄ軸電圧及びｑ軸電圧から前記ｄ軸及びｑ軸電流制御器の出力を夫々減算するｄ軸及びｑ軸減算手段と、前記位相検出手段の出力する基準位相を補正して補正基準位相を出力する位相補正手段と、前記ｄ軸及びｑ軸減算手段の出力を前記補正基準位相に従って逆回転座標変換して３相の前記出力電圧指令を得る逆ｄｑ変換手段とを具備したことを特徴としている。

本発明によれば、検出遅れや制御演算の遅れがあっても制御誤差が生じることのない半導体電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置を図１乃至図３を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図である。

交流系統に変圧器を介して接続されている電力変換器１は、例えば電力系統の無効電力、高調波等を補償するために設置されている。電力変換器１は通常はスイッチング素子をブリッジ接続して構成された交流直流変換器であり、その直流部には直流電源、コンデンサ等が接続されているがその図示を省略している。交流系統には負荷２が接続されている。

負荷２の入力電流は電流検出器３によって検出され、ｄｑ変換制御部１０に与えられる。同様に交流系統の電圧は電圧検出器４によって検出され、ｄｑ変換制御部１０に与えられる。また、電力変換器１の交流系統側への出力電流は電流検出器５によって検出されている。

以下、ｄｑ変換制御部１０の内部構成について説明する。

電圧検出器４によって検出された瞬時交流電圧は位相検出器１１に与えられる。位相検出器１１においては、瞬時交流電圧の検出位相に基づいて出力電流指令値の基準の位相（ωｔ＋φ）を生成する。電流検出器３によって検出された瞬時交流電流は、３相から２相に変換するｄｑ変換器１２によってｄ軸電流とこのｄ軸電流と直交するｑ軸電流に変換される。この変換は、上記の基準位相（ωｔ＋φ）に基づいて行なわれる。

上記のｄｑ変換において、ｄｑ変換の座標系を回転座標としておけば、ｄ軸電流及びｑ軸電流は直流成分となる。そして、ｄ軸電流及びｑ軸電流を夫々フィルタ１３及びフィルタ１４を介して２相から３相に変換する逆ｄｑ変換器１５に入力する。この逆ｄｑ変換器１５によって３相変換するときの基準位相は、上記の基準位相（ωｔ＋φ）に補正位相設定器１６で設定された位相δを加算器１７で加算した（ωｔ＋φ＋δ）を用いる。尚、上記においてフィルタ１３及びフィルタ１４を適切に選定することによって、所望の制御を実現する。例えば、フィルタ１３を全成分カットするように選定し、フィルタ１４において高周波の変動分をカットするようにすれば、負荷２に流れる電流の力率を１とし、且つ高次の高調波をキャンセルする制御が可能となる。

逆ｄｑ変換器１５の出力は電力変換器１の出力電流指令値となり電流制御器２０に与えられる。電流制御器２０においては、上記出力電流指令値と電流検出器５によって検出された出力電流との偏差がゼロになるようにその出力である電圧指令値を調節する。そしてこの電圧指令値を入力としてＰＷＭ制御器２１はパルス幅変調を行い、電力変換器１を構成するスイッチング素子にゲートパターンを与える。

上記における基本動作について図２及び図３を参照して以下説明する
今、電力変換器１の３相の出力電流をｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃとすると、これらは（１）式のように表される。

ここで、Ｉは出力電流の実効値、ωｔは位相、φは微小位相差である。

図２は、静止座標系における直交座標であるα、β軸と回転座標系で表したときの直交座標であるｄ、ｑ軸の関係を示すベクトル図である。図２に示すように、α、β軸が位相ωｔ＋微小位相差φの位相分だけ回転した座標がｄ、ｑ軸となる。この図３で示す静止座標系（α、β軸）と回転座標系（ｄ、ｑ軸）の関係を式で表すと、（２）式のようになる。尚ここでは反時計回り回転を正としている。

（２）式より、ｄ、ｑ軸の電流とα、β軸の電流の関係式は、（３）式のようになる。

従って、図２のα、β軸とｄ、ｑ軸の関係は（２）式と（３）式のような関係となる。

ここで、電力変換器１の出力３相（ａ相、ｂ相及びｃ相）の各々の電流はｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃであるので、静止座標系で表現した式は（４）式のようになる。

ａ相、ｂ相及びｃ相は３相から２相に変換するｄｑ変換器１２によりｄ、ｑ軸で表現することができる。（３）式に（４）式を代入すると

となる。従って、ｄｑ変換器１２の内部変換式は（６）式となることが分かる。

（５）式に（１）式を代入すると、ｄｑ変換器１２によってｄｑ変換したｄ軸とｑ軸の電流成分を求めることができる。

この（７）式を展開し、計算すると、

となる。

上記に対し、位相δ分の遅れを考慮し事前に補正位相設定器１６で設定された位相δを用いたときの逆ｄｑ変換器１５で生成される３相の電流指令値をｉ_aδ、ｉ_bδ、ｉ_cδとすると、２相から３相に変換する逆ｄｑ変換器１５の内部変換式により、これは（９）式のように求めることができる。

この（９）式を展開すると、以下のように（１０）、（１１）式が得られる。

この（１１）式で示されているように、位相δ分を補正した電力変換器１への電流指令値ｉ_aδ、ｉ_bδ、ｉ_cδは（１）式における電流基準位相（ωｔ＋φ）より位相δ分に相当する時間だけ進ませたことになる。これにより、半導体電力器１が出力する電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃは、適切に位相補正されて本来出力すべき電流となり、半導体電力器１による適切な電力補償が可能となる。尚、上記における補正した変換は実質的には、図２に示したようにｄ軸及びｑ軸電流を位相δ分進ませる補正を行ったあと通常の逆変換を行なったことと等価となる。

図３は、図１の逆ｄｑ変換１５を実施した直後の出力電流指令値の１相分の波形である。本来の制御目標である出力電流指令値Ｗ１に対し、位相遅れを考慮しない制御を行うと、位相δ分の遅れ時間が生じたままの出力電流指令値Ｗ２による制御となる。これに対し、位相δ分の遅れ時間を考慮して、事前に補正位相設定器１６によって位相δだけ進ませて指令することによって、出力電流指令値Ｗ１に限りなく近い出力電流指令値Ｗ３によって制御を行うことができる。

以上説明したように、電流検出器３による検出時間遅れとｄｑ変換制御部１０内の時間遅れ時間分の和を位相に換算した位相δを、補正位相設定器１６によって予め設定しておけば、電力変換器１に遅れ時間を加味した出力電流指令値が与えられる。従って、この実施例１によれば、時間遅れによる制御誤差をキャンセルすることができ、高精度の電力制御を実施することが可能となる。

図２は本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の回路構成図である。

この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、ｄｑ変換制御部１０Ａのｄｑ変換器１２Ａの入力を電圧検出器４の出力とした点、フィルタ１３、１４に変えて減算器１８、１９を設けるようにし、減算器１８、１９の出力を逆ｄｑ変換器１５Ａに与える構成とした点、電流検出器５の出力をｄｑ変換制御部１０Ａ内に設けたｄｑ変換器１２Ｂに与え、そのｄ軸、ｑ軸の各々の出力を電流制御器２０Ａ、２０Ｂに夫々与える構成とした点、電流制御器２０Ａ、２０Ｂは与えられたｄ軸電流基準、ｑ軸電流基準となるように夫々の出力を調節し、この夫々の出力を減算器１８、１９の減算信号とした点、逆ｄｑ変換器１５Ａの出力を電力変換器１の電圧指令としてＰＷＭ制御器２１に与える構成とした点である。

上記において、ｄｑ変換器１２Ｂにおける変換の基準位相はｄｑ変換器１２Ａと同様（ωｔ＋φ）、逆ｄｑ変換器１５Ａの変換の基準位相は、補正された（ωｔ＋φ＋δ）とする。また、上記におけるｄ軸電流基準及びｑ軸電流基準は、電力変換器１の出力側で、変圧器などのインピーダンスによる電圧降下を考慮した値となるように設定する。

以上の実施例２の制御によれば、例えば系統電圧に逆相成分が含まれている場合、その逆相成分の位相に応じて減算器１８、１９の出力が発生し、この逆相成分をゼロにするように電圧指令値は電力変換器１の出力電圧を制御する。

また、実施例１と同様、電圧検出器４による検出時間遅れとｄｑ変換制御部１０Ａ内の時間遅れ時間分の和を位相に換算した位相δを、補正位相設定器１６によって予め設定しておけば、電力変換器１に遅れ時間を加味した出力電圧指令値が与えられる。更に、電力変換器１の出力側の変圧器などのインピーダンスにより電圧降下が発生するがこの補正も可能となる。従ってこの実施例２によれば、電力変換器１に対して遅れ時間と電圧降下による制御誤差をキャンセルすることができ、高精度の電力制御を実施することが可能となる。

本発明の実施例１に係る半導体電力変換装置の回路構成図。 静止座標α軸、β軸と、回転座標ｄ軸、ｑ軸を示すベクトル図。 本発明の出力電流指令値の説明図。 本発明の実施例２に係る半導体電力変換装置の回路構成図。

符号の説明

１ 電力変換器
２ 負荷
３ 電流検出器
４ 電圧検出器
５ 電流検出器

１０、１０Ａ ｄｑ変換制御部
１１ 位相検出器
１２、１２Ａ、１２Ｂ ｄｑ変換器
１３、１４ フィルタ
１５、１５Ａ 逆ｄｑ変換器
１６ 補正位相設定器
１７ 加算器
１８、１９ 減算器
２０、２０Ａ、２０Ｂ 電流制御器
２１ ＰＷＭ制御器

Claims (2)

1. 交流系統の系統電圧を検出し、この系統電圧をｄｑ変換制御手段に与え、前記ｄｑ変換制御手段の出力を前記交流系統に接続された電力変換器の出力電圧指令値とするようにした半導体電力変換装置であって、
   前記ｄｑ変換制御手段は、
   前記交流系統の電圧位相を検出する位相検出手段と、
   前記位相検出手段の出力する基準位相に従って前記系統電圧を回転座標変換してｄ軸電圧及びｑ軸電圧に変換する第１のｄｑ変換手段と、
   前記電力変換器の出力電流を前記位相検出手段の出力する基準位相に従って回転座標変換してｄ軸電流及びｑ軸電流に変換する第２のｄｑ変換手段と、
   前記ｄ軸電流及び前記ｑ軸電流を夫々の指令値に追従させるｄ軸及びｑ軸電流制御器と、
   前記ｄ軸電圧及びｑ軸電圧から前記ｄ軸及びｑ軸電流制御器の出力を夫々減算するｄ軸及びｑ軸減算手段と、
   前記位相検出手段の出力する基準位相を補正して補正基準位相を出力する位相補正手段と、
   前記ｄ軸及びｑ軸減算手段の出力を前記補正基準位相に従って逆回転座標変換して３相の前記出力電圧指令を得る逆ｄｑ変換手段と
   を具備したことを特徴とする半導体電力変換装置。
2. 前記位相補正手段は、
   前記系統電圧の検出遅れ時間と、前記ｄｑ変換制御手段の演算遅れ時間と
   の和を位相角に換算した位相補正を行なうようにしたことを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。

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